Vòng điều khiển PID là gì?

Hiểu các vòng điều khiển PID: các thành phần và nguyên tắc làm việc

Hãy tìm hiểu những điều cơ bản của những vòng điều khiển PID. Điều này bao gồm nguyên tắc, thành phần, ứng dụng, lợi ích và thách thức của họ. Học cách triển khai các vòng điều khiển PID để đạt hiệu suất tối ưu.

1. Giới thiệu

Hiểu được các bộ phận của PID

Ba yếu tố thiết yếu tạo thành một vòng điều khiển PID: tỷ lệ (P), tích phân (I), hoặc điều khiển đạo hàm (D). Mỗi yếu tố đóng một vai trò cụ thể trong chiến lược kiểm soát.

Điều khiển (P) tỷ lệ: Thành phần này tạo ra một đầu ra tỷ lệ thuận với giá trị lỗi. Thành phần tỷ lệ có trách nhiệm giảm tổng sai số thông qua việc điều chỉnh tín hiệu điều khiển theo độ lớn. Độ lợi tỷ lệ Kp xác định mức độ đáp ứng của hệ thống. Giá trị Kp cao hơn dẫn đến phản ứng nhanh hơn, nhưng cũng có thể gây bất ổn và vượt quá.

Tích phân điều khiển: Thành phần này giải quyết các lỗi trong quá khứ bằng cách tích hợp các lỗi theo thời gian. Tín hiệu điều khiển được điều chỉnh liên tục cho đến khi không có lỗi. Lợi tích phân (Ki) ảnh hưởng đến tốc độ sai số trong trạng thái ổn định được sửa chữa. Dao động không ổn định có thể là kết quả của hành động tích phân quá mức.

Đạo hàm điều khiển (D) : Thành phần này sử dụng tỷ lệ thay đổi lỗi để dự đoán sai số trong tương lai. Thành phần phái sinh cung cấp hiệu ứng làm giảm nhiệt, giúp cải thiện độ ổn định của hệ thống bằng cách giảm lỗi nhanh. Kd là lợi nhuận phái sinh xác định các hành động phái sinh bị ảnh hưởng như thế nào. Mặc dù nó có thể tăng cường sự ổn định của một hệ thống, một lượng hành động phái sinh quá mức có thể gây ra tiếng ồn hoặc hành vi thất thường.

2. Vòng điều khiển PID là gì?

Các vòng PID liên tục sửa đổi các tín hiệu điều khiển để làm giảm sự khác biệt giữa điểm đặt mong muốn và các biến quá trình được đo. Đây là lời giải thích từng bước của vòng điều khiển PID:

Tính sai số: Trong vòng điều khiển PID, bước đầu tiên là tính giá trị lỗi. Đây là sự khác biệt giữa các điểm đặt mong muốn và các biến quá trình được đo. Giá trị lỗi được sử dụng làm cơ sở cho các tính toán tiếp theo.

Đáp ứng tỷ lệ thành phần tỷ lệ tạo ra một tín hiệu tỷ lệ với các giá trị sai số hiện tại. Phản ứng này được xác định bởi độ lợi tỷ lệ Kp. Các giá trị Kp cao hơn dẫn đến kiểm soát tích cực hơn.

Phản ứng số nguyên: Thành phần này tính toán các lỗi tích lũy theo thời gian, và sau đó tạo ra các tín hiệu điều khiển tỷ lệ với các lỗi tích lũy này. Tốc độ sửa lỗi ở trạng thái ổn định được xác định bởi độ lợi tích phân Ki.

Đáp ứng đạo hàm: Thành phần này tính toán tỷ lệ sai số và tạo ra một tín hiệu tỷ lệ với tỷ lệ sai số. Kd là độ lợi phái sinh xác định cách hành động phái sinh sẽ ảnh hưởng đến tín hiệu điều khiển.

Điều chỉnh tín hiệu điều khiển: kết hợp các tín hiệu điều khiển được tạo ra bởi các thành phần tích phân, tỷ lệ và đạo hàm để tạo ra tín hiệu điều khiển cuối cùng. Các tín hiệu điều khiển được tạo ra bởi các thành phần tích phân, tỷ lệ và phái sinh được kết hợp để tạo ra tín hiệu điều khiển cuối cùng.

3. Các ứng dụng điều khiển PID

Do tính hiệu quả và đơn giản của chúng, các mạch điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Các vòng PID được sử dụng trong nhiều ứng dụng.

Kiểm soát nhiệt độ: Trong các hệ thống HVAC, bộ điều khiển PID duy trì nhiệt độ mong muốn trong quá trình công nghiệp và xây dựng. Những bộ điều khiển này đảm bảo hiệu quả năng lượng, sự thoải mái và kiểm soát nhiệt độ chính xác.

Các bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ động cơ điều khiển bằng động cơ điện. Các bộ điều khiển này đảm bảo việc điều khiển trơn tru, chính xác tốc độ và cải thiện hiệu suất của các hệ thống động cơ.

4. Lợi ích của việc sử dụng vòng điều khiển PID

Vòng điều khiển PID rất phổ biến trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển bởi vì chúng mang lại nhiều lợi ích. Đây là một số lợi ích chính:

Độ ổn định của hệ thống điều khiển, việc sử dụng kết hợp các hành động tích hợp và phái sinh cải thiện sự ổn định của hệ thống. Hành động tích phân làm giảm sai số ở trạng thái ổn định, trong khi hành động phái sinh ngăn cản dao động.

Giảm độ phóng đại thích hợp có thể giảm độ phóng đại và đảm bảo rằng các biến quá trình đạt đến điểm đặt mong muốn mà không có biến động dư thừa. Bộ điều khiển sẽ mượt mà hơn, chính xác và chính xác hơn.

Loại bỏ sai số trạng thái ổn định: Phần tích phân này của vòng điều khiển PID giúp loại bỏ sai số trạng thái ổn định bằng cách liên tục điều chỉnh tín hiệu cho đến khi sai số tích lũy bằng không. Các biến quá trình sẽ vẫn còn ở điểm đặt.

5. Những thử thách trong vòng điều khiển PID

Mặc dù các vòng điều khiển PID có nhiều lợi ích, chúng cũng có thể là những thách thức trong việc thực hiện chúng.

Điều chỉnh độ phức tạp: Có thể khó để tìm ra các giá trị tốt nhất cho độ lợi tích phân, tỷ lệ và đạo hàm. Một điều chỉnh sai có thể dẫn đến dao động và bất ổn. Để xác định độ lợi PID, các phương pháp điều chỉnh khác nhau được sử dụng, bao gồm Ziegler Nichols, phép thử và lỗi, v.v.

Độ nhạy với nhiễu thành phần dẫn xuất của vòng điều khiển PID rất nhạy khi nhiễu xảy ra trong quá trình đo các biến quá trình. Nó có thể dẫn đến các tín hiệu thất thường cho điều khiển và hiệu suất hệ thống kém. Lọc tiếng ồn có thể được sử dụng để giảm thiểu vấn đề.

Động lực học hệ thống: Hiệu suất của các vòng điều khiển PID bị ảnh hưởng bởi các động lực. Hiệu quả của bộ điều khiển PID có thể bị ảnh hưởng bởi những thay đổi trong động lực của quá trình, bao gồm sự chậm trễ thời gian hoặc phi tuyến tính. Những thách thức này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng các chiến lược điều khiển thích nghi hoặc các phương pháp dựa trên mô hình.

Vòng điều khiển PID có thể được tóm tắt như là một chiến lược linh hoạt và thường được sử dụng cho các hệ thống điều khiển công nghiệp. Vòng điều khiển PID là một công cụ quan trọng cho kỹ thuật hệ thống điều khiển bởi vì nó có thể cung cấp điều khiển chính xác, giảm lỗi trạng thái ổn định và tăng độ ổn định. Việc thực hiện các vòng điều chỉnh PID đòi hỏi phải điều chỉnh cẩn thận hệ thống và xem xét động lực học quá trình. Các kỹ sư có thể đạt được hiệu suất tối ưu bằng cách hiểu các vòng lặp PID và các thành phần, nguyên tắc hoạt động, lợi thế và thách thức của chúng.

Tài liệu tham khảo

Proportional-integral-derivative controller - Wikipedia

Điều khiển PID được giải thích